WO2009003640A1 - Dichtvorrichtung für hochdruckanwendungen - Google Patents

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WO2009003640A1
WO2009003640A1 PCT/EP2008/005242 EP2008005242W WO2009003640A1 WO 2009003640 A1 WO2009003640 A1 WO 2009003640A1 EP 2008005242 W EP2008005242 W EP 2008005242W WO 2009003640 A1 WO2009003640 A1 WO 2009003640A1
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sealing device
circular cylinder
cylinder
high pressure
chamfered
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Inventor
Patrick Izquierdo
Ali-Murat Korkmaz
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Daimler Ag
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    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/021—Sealings between relatively-stationary surfaces with elastic packing
    • F16J15/028—Sealings between relatively-stationary surfaces with elastic packing the packing being mechanically expanded against the sealing surface

Definitions

  • the invention relates to a sealing device which is designed for use with a rotating lance carrier and is provided for receiving a high-pressure water jet lance.
  • lenticular body as a sealing device in the high pressure technique
  • Kempchen & Co. GmbH describes the use of lens seals as reusable sealing bodies whose sealing effect is achieved by elastic deformation of the surface (Hans Joachim Tückmantel, Kempchen-Verlag, Oberhausen "The Optimization of Static Seals", 1990).
  • the lenses are made of steel.
  • the described lens seals are compact bodies.
  • This sealing device is a conical annular disk and is used on a high-vacuum closure.
  • DE 103 24 570 AI describes a device for surface treatment by removing metal of a hollow cylinder using the
  • the sealing devices are sealing rings made of can be made of an elastomeric or metallic material.
  • US 5,512,318 describes a method of treating surfaces with a high pressure jet.
  • Document DE 10 204 038 183 A1 discloses a method for machining cylinder crankshaft housings.
  • sealing devices for sealing high pressure water jet lances mounted on rotating lance beams are known. These sealing devices are conventionally made of elastomers such as rubber or rubber-containing materials. These rubber seals used hitherto in installations for high-pressure applications with a rotating lance have only a short service life, since they are damaged by cavitation, which can disadvantageously result in water leakage.
  • the invention is based on this prior art the object to provide a sealing device which is improved in terms of their life and their sealing performance.
  • a first embodiment relates to an inventive, designed for use with a rotating lance carrier sealing device, which consists of a cylindrical body having an inner cavity of likewise cylindrical geometry to receive in this inner cavity a high-pressure water jet lance.
  • a rotating lance carrier sealing device which consists of a cylindrical body having an inner cavity of likewise cylindrical geometry to receive in this inner cavity a high-pressure water jet lance.
  • the cylinder is also chamfered at its inwardly facing annular edges, so that the area subjected to pressure during use of the sealing device is advantageously minimized.
  • an annular groove disposed on the outer surface of the cylinder optimizes the shape of the lens-like sealing device because the groove permits controlled elastic deformation of the sealing device.
  • further embodiments are directed to the material properties of the sealing device, which is advantageously made of a metal alloy such as a stellite special steel, so that the susceptibility to corrosion is advantageously reduced and the sealing device has an advantageously extended service life.
  • sealing devices according to the invention In practical trials of sealing devices according to the invention with high-pressure water jet lances for machining cylinder liners, it has been found that their service life or service lives are at least 50 times higher than the previously used sealing devices. As a result, the downtime of the corresponding system can be significantly reduced in production. Another advantage results from the fact that sealing devices designed according to the invention are not damaged during the removal and installation of the high-pressure water jet lances and can thus be reused.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the sealing device of FIG. 1 with a jet lance encompassed by the inner cavity of the sealing device
  • FIG. 3 is the sealing device of FIG. 1 with detailed dimensions of an exemplary embodiment.
  • Fig. 1 shows a sealing device 1, which can be used with a rotating lance carrier. It consists of a hollow cylindrical straight circular cylinder, the inner hollow cylinder is designed in its dimensions such that it can accommodate a high-pressure water jet lance.
  • the circular cylinder has chamfered at its upper end and at its lower end outer annular edges 4, 4 ', which provide the circular cylinder lens-like appearance.
  • the lens mold thus provided permits elastic deformation of the lens when subjected to pressure, in particular the high working pressure of 3000 bar, which occurs when the lens is used as a rotating lance carrier sealing device for surface treating engine cylinders.
  • the circular cylinder of the sealing device 1 further at its upper end and at its lower end in each case a chamfered inner annular edge 3, 3 1 , so that, as shown in Fig. 1 in that the upper and lower circular edge surface is reduced to a ridge which forms at the point where the chamfered inner upper annular edge 3 meets the chamfered outer upper annular edge 4, or where the chamfered inner lower annular edge 3 1 on the chamfered outer lower edge annular edge 4 1 hits.
  • a pressure acting on the sealing device in the axial direction is advantageously dissipated radially.
  • a small, radially extending, flat region may also remain at the end of the circular cylinder.
  • the sealing device 1 according to the invention obtains additional wear protection, so that it can advantageously be reused many times and has an extended life and service life.
  • Another effect in addition to the reduction of cavitation damage is the robustness of the sealing device 1 during installation and removal of jet lances 10 (shown in Fig. 2), whereby in addition the service life of the sealing device 1 is extended.
  • FIG. 2 shows the sealing device 1 with a likewise cylindrical jet 10 which is received in the inner cavity of the circular cylinder of the sealing device 1 and which is arranged in the cavity such that the axis of rotation B-B of the sealing device 1 is congruent with the axis of rotation of the jet lance 10.
  • a high-pressure jet lance 10 in the sealing device 1 can for example be done by the sealing device 1 is expanded by heating, the lance 10 is then inserted into the sealing device 1 and by cooling the sealing device 1, a sealing seat of the lance 10 in the sealing device 1 is created.
  • FIG. 3 shows the sealing device 1 according to the invention with beveled inner annular edges 3, 3 ', which have an angle of 45 ° have, based on the axis of rotation BB of the circular cylinder, and chamfered outer annular edges, which have an angle of 30 °, with respect to a direction perpendicular to the axis of rotation BB of the circular cylinder.
  • annular groove 5 which is arranged on the outer circumferential surface 6, preferably in the horizontal mirror plane A-A or at least close to it.
  • the sealing device 1 Upon application of high pressure, the sealing device 1 is controlled deformed, wherein the annular groove 5 causes the deformation does not adversely affect the seat and the sealing effect of the sealing device 1.
  • the sealing device 1 according to the invention is preferably made of metal or a metal alloy, with metal alloys comprising the elements cobalt, chromium and tungsten, being preferred because of their high corrosion resistance.
  • Special steels such as stellites, in particular stellite 5, are particularly suitable or other cobalt-chromium tungsten hard alloys.
  • the high-pressure water jet lance 10 equipped with the improved sealing device 1 according to the invention can be used in an arrangement for machining a cylinder bore of an engine or for surface treatment of the inner surface of the engine cylinder. It will the lance 10, for example, outside of the engine cylinder under a working pressure of about 3000 bar with a working fluid such as water, provided with appropriate additives, operated and then introduced for machining the surface of the cylinder bore in the cylinder bore.
  • the sealing device according to the invention especially when made of a metal alloy such as stellite, has an improved life and service life associated with an improvement in the running times of the high pressure water jet lances over rubber seals. As a result, the downtime of the system is reduced, in which the lance is operated to process according to cylinder surfaces. With the reduced downtime improved plant efficiency is connected.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Dichtvorrichtung (1) bereit, die geeignet ist, in einem rotierenden Lanzenträger zum Einsatz zu kommen. Die Dichtvorrichtung (1) ist ein hohlzylindrischer gerader KreisZylinder, der geeignet ist, eine Hochdruck-Wasserstrahllanze (10) in dem Hohlzylinder aufzunehmen und der an seinem oberen Ende und an seinem unteren Ende eine angefaste äußere Ringkante (4, 4') aufweist. Ferner zeichnet sie sich dadurch aus, dass der Kreiszylinder an seinem oberen Ende und an seinem unteren Ende jeweils eine angefaste innere Ringkante (3, 3') aufweist und dass an einer äußeren Mantelfläche (6) des Kreiszylinders eine ringförmige Nut (5) angeordnet ist so dass die Dichtvorrichtung (1) auf Grund einer optimierten Geometrie hinsichtlich ihrer Lebensdauer und ihrer Dichtleistung verbessert ist.

Description

Dichtvorrichtung für Hochdruckanwendungen
Die Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung, die zum Verwenden mit einem rotierenden Lanzenträger ausgebildet und zum Aufnehmen einer Hochdruck-Wasserstrahllanze vorgesehen ist.
Die Verwendung linsenförmiger Körper als Dichtvorrichtung in der Hockdrucktechnik ist bekannt. So wird etwa von Kempchen & Co. GmbH der Einsatz von Linsendichtungen als mehrmals wieder verwendbare Dichtkörper beschrieben, deren Dichtwirkung durch elastische Deformation der Oberfläche erzielt wird (Hans Joachim Tückmantel, Kempchen-Verlag, Oberhausen "Die Optimierung statischer Dichtungen", 1990). Die Linsen werden aus Stählen gefertigt. Die beschriebenen Linsendichtungen sind kompakte Körper.
Eine weitere aus Metall bestehende Dichtvorrichtung ist in der DE 29 51 150 C2 beschrieben: Diese Dichtvorrichtung ist eine konische Ringscheibe und wird an einem Hochvakuumverschluss eingesetzt.
Ferner beschreibt beispielsweise die DE 103 24 570 AI eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung durch Abtragen von Metall eines Hohlzylinders unter Anwendung der
Plasmatechnologie, wobei ebenfalls Dichtvorrichtungen zum Einsatz kommen, die Hochdruck standhalten müssen. Es handelt sich bei den Dichtvorrichtungen um Abdichtringe, die aus einem elastomeren oder metallischen Werkstoff gefertigt sein können.
Die US 5,512,318 beschreibt ein Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit einem Hochdruckstrahl.
Aus der DE 102 55 213 B4 ist ein Verfahren zum Vorbehandeln von Oberflächen mit Wasserhochdruck bekannt.
Das Dokument DE 10 204 038 183 AI offenbart ein Verfahren zum Bearbeiten von Zylinderkurbelwellengehäusen.
Ferner sind Dichtvorrichtungen zum Abdichten von Hochdruck- Wasserstrahllanzen, die auf rotierenden Lanzenträgern montiert werden, bekannt. Diese Dichtvorrichtungen werden herkömmlich aus Elastomeren wie Gummi oder aus gummihaltigen Materialien gefertigt. Diese bislang in Anlagen für Hochdruck-Anwendungen mit einer rotierenden Lanze verwendeten Gummidichtungen weisen nur eine geringe Lebensdauer auf, da sie durch Kavitation beschädigt werden, wodurch nachteilig Wasserleckage entstehen kann.
Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Dichtvorrichtung zu schaffen, die hinsichtlich ihrer Lebensdauer und ihrer Dichtleistung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dichtvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine erfindungsgemäße, zum Verwenden mit einem rotierenden Lanzenträger ausgebildete Dichtvorrichtung, die aus einem zylindrischen Körper besteht, der einen Innenhohlraum von ebenfalls zylindrischer Geometrie aufweist, um in diesem Innenhohlraum eine Hochdruck-Wasserstrahllanze aufzunehmen. Durch Anfasen der äußeren Ringkanten des Zylinders erhält dieser eine linsenartige Geometrie. Vorteilhaft ist der Zylinder an seinen nach innen weisenden Ringkanten ebenfalls angefast, so dass die während der Verwendung der Dichtvorrichtung mit Druck beaufschlagte Fläche vorteilhaft minimiert wird. Eine an der äußeren Mantelfläche des Zylinders angeordnete ringförmige Nut optimiert die Form der linsenähnlichen Dichtvorrichtung darüber hinaus, da die Nut eine kontrollierte, elastische Verformung der Dichtvorrichtung erlaubt.
Weitere Ausfϋhrungsbeispiele beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungen der Anfasungen.
Schließlich sind weitere Ausführungsbeispiele auf die Materialbeschaffenheit der Dichtvorrichtung gerichtet, die vorteilhaft aus einer Metall-Legierung wie einem Stellit- Sonderstahl gefertigt ist, so dass die Korrosionsanfälligkeit vorteilhaft verringert wird und die Dichtvorrichtung eine vorteilhaft verlängerte Betriebsdauer aufweist.
In praktischen Erprobungen erfindungsgemäßer Dichtvorrichtungen mit Hochdruck-Wasserstrahllanzen zum Bearbeiten von Zylinderlaufbahnen hat sich herausgestellt, das ihre Standzeiten bzw. Lebensdauern mindestens 50-mal höher als die bisher gebräuchlicher Dichtvorrichtungen sind. Dadurch können in der Fertigung die Stillstandzeiten der entsprechenden Anlage deutlich verringert werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass erfindungsgemäß ausgestaltete Dichtvorrichtungen beim Aus- und Einbau der Hochdruck-Wasserstrahllanzen nicht beschädigt werden und somit wiederverwendet werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dar- gestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht der Dichtvorrichtung, Fig. 2 eine Längsschnittansicht der Dichtvorrichtung aus Fig. 1 mit einer von dem inneren Hohlraum der Dichtvorrichtung umfassten Strahllanze und Fig. 3 die Dichtvorrichtung aus Fig. 1 mit detaillierten Bemaßungen einer beispielhaften Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Dichtvorrichtung 1, die mit einem rotierenden Lanzenträger benutzt werden kann. Sie besteht aus einem hohlzylindrischen geraden Kreiszylinder, dessen innerer Hohlzylinder in seinen Dimensionen derart ausgebildet ist, dass er eine Hochdruck-Wasserstrahllanze aufzunehmen kann. Der Kreiszylinder hat an seinem oberen Ende und an seinem unteren Ende angefaste äußere Ringkanten 4, 4', die dem Kreiszylinder das linsenartige Aussehen verschaffen. Die so bereitgestellte Linsenform erlaubt eine elastische Deformation der Linse, wenn sie Druck, insbesondere dem hohem Arbeitsdruck von 3000 bar ausgesetzt ist, wie er auftritt, wenn die Linse als Dichtvorrichtung mit einem rotierenden Lanzenträger zur Oberflächenbehandlung von Motorzylindern verwendet wird.
Um eine weitere Verbesserung der elastischen Deformation unter Erhalt der Dichteigenschaften zu schaffen, weist der Kreiszylinder der Dichtvorrichtung 1 ferner an seinem oberen Ende und an seinem unteren Ende jeweils eine angefaste innere Ringkante 3, 31 auf, so dass, wie in Fig. 1 gezeigt, die obere und untere Kreisrandfläche auf einen Grat reduziert wird, der sich an der Stelle bildet, an der die angefaste innere obere Ringkante 3 auf die angefaste äußere obere Ringkante 4 trifft, beziehungsweise wo die angefaste innere untere Ringkante 31 auf die angefaste äußere untere Ringkante 41 trifft. Damit wird ein in Axialrichtung auf die Dichtvorrichtung wirkender Druck vorteilhaft radial abgeleitet. In Abhängigkeit von den Abmessungen der Dichtvorrichtung kann anstelle des Grates aber auch ein kleiner, sich radial erstreckender flacher Bereich am Ende des Kreiszylinders verbleiben.
Eine ringförmige Nut 5, die an einer äußeren Mantelfläche 6 des Kreiszylinders angeordnet ist, erlaubt, dass ein Raum entsteht, in den bei auftretendem Druck das sich elastisch deformierende Material der Dichtvorrichtung ausweichen kann. Damit erlangt die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 zusätzlichen Verschleißschutz, so dass sie vorteilhaft vielfach wieder verwendet werden kann und eine verlängerte Lebens- und Betriebsdauer aufweist. Ein weiterer Effekt zusätzlich zur Verringerung von Kavitationsschaden ist die Robustheit der Dichtvorrichtung 1 beim Ein- und Ausbau von Strahllanzen 10 (dargestellt in Fig. 2), wodurch zusätzlich die Gebrauchsdauer der Dichtvorrichtung 1 verlängert wird.
Fig. 2 zeigt die Dichtvorrichtung 1 mit einer in den inneren Hohlraum des Kreiszylinders der Dichtvorrichtung 1 aufgenommenen, ebenfalls zylindrischen Strahllanze 10, die derart in dem Hohlraum angeordnet ist, dass die Rotationsachse B-B der Dichtvorrichtung 1 kongruent mit der Rotationsachse der Strahllanze 10 verläuft.
Das Einbringen einer Hochdruck-Strahllanze 10 in die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 kann beispielsweise erfolgen, indem die Dichtvorrichtung 1 durch Erwärmen aufgeweitet wird, die Lanze 10 sodann in die Dichtvorrichtung 1 eingeführt wird und durch das Abkühlen der Dichtvorrichtung 1 ein Dichtsitz der Lanze 10 in der Dichtvorrichtung 1 entsteht .
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 mit angefasten inneren Ringkanten 3, 3', die einen Winkel von 45 haben, bezogen auf die Rotationsachse B-B des Kreiszylinders, und mit angefasten äußeren Ringkanten, die einen Winkel von 30°, bezogen auf eine Richtung senkrecht der Rotationsachse B-B des Kreiszylinders, aufweisen.
Andere Ausführungsbeispiele könnten an den inneren Ringkanten 3, 3' Winkel im Bereich von 30° bis 60° aufweisen; die äußeren Ringkanten können einen Winkel im Bereich von 20° bis 40° aufweisen. Alle Kombinationen der Neigungen der Fasen sind möglich, allerdings sind Ausführungsformen, die symmetrisch bezüglich einer senkrecht zu der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Rotationsachse des Kreiszylinders liegenden Spiegelebene A-A, die ebenfalls in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind, hinsichtlich der aufzunehmenden und radial abzuleitenden Druckkräfte bevorzugt. Entsprechend liegt die ringförmige Nut 5, die an der äußeren Mantelfläche 6 angeordnet ist, bevorzugt in der horizontalen Spiegelebene A-A oder zumindest nahe bei derselben.
Unter Beaufschlagung mit Hochdruck wird die Dichtvorrichtung 1 kontrolliert verformt, wobei die Ringnut 5 bewirkt, dass die Verformung den Sitz und die Dichtwirkung der Dichtvorrichtung 1 nicht nachteilig beeinflusst.
Die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 besteht bevorzugt aus Metall oder einer Metall-Legierung, wobei Metall-Legierungen, welche die Elemente Kobalt, Chrom und Wolfram umfassen, auf Grund ihrer hohen Korrosionsfestigkeit bevorzugt sind. Sonderstähle wie Stellite, insbesondere Stellit 5, kommen besonders in Betracht oder auch andere Kobalt-Chrom-Wolfrara- Hartlegierungen.
Die mit der verbesserten Dichtvorrichtung 1 gemäß der Erfindung ausgestattete Hochdruck-Wasserstrahllanze 10 kann in einer Anordnung zur Bearbeitung einer Zylinderbohrung eines Motors bzw. zur Oberflächenbehandlung der inneren Oberfläche des Motorzylinders eingesetzt werden. Dabei wird die Lanze 10 beispielsweise außerhalb des Motorzylinders unter einem Arbeitsdruck von etwa 3000 bar mit einem Arbeitsfluid wie etwa Wasser, versehen mit entsprechenden Zusatzstoffen, betrieben und dann zur Bearbeitung der Oberfläche der Zylinderbohrung in die Zylinderbohrung eingeführt. Die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung hat, besonders wenn sie aus einer Metall-Legierung wie Stellit gefertigt ist, eine verbesserte Lebens- und Betriebsdauer, verbunden mit einer Verbesserung der Laufzeiten der Hochdruck-Wasserstrahllanzen gegenüber Dichtungen aus Gummi. Dadurch werden die Ausfallzeiten der Anlage verringert, in der die Lanze betrieben wird, um entsprechend Zylinderoberflächen zu bearbeiten. Mit den verkürzten Stillstandzeiten ist eine verbesserte Wirtschaftlichkeit der Anlage verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Dichtvorrichtung (1), die zum Verwenden mit einem rotierenden Lanzenträger ausgebildet ist, wobei die Dichtvorrichtung (1) ein hohlzylindrischer gerader Kreiszylinder ist, dessen Hohlzylinder zum Aufnehmen einer Hochdruck-Wasserstrahllanze (10) ausgebildet ist und der an seinem oberen Ende und an seinem unteren Ende eine angefaste äußere Ringkante (4, 4') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiszylinder an seinem oberen Ende und an seinem unteren Ende jeweils eine angefaste innere Ringkante (3, 31) aufweist und dass an einer äußeren Mantelfläche (6) des Kreiszylinders eine ringförmige Nut (5) angeordnet ist.
2. Dichtvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die angefaste innere Ringkante (3, 3') einen Winkel im Bereich von 30° bis 60°, bezogen auf eine Rotationsachse (B-B) des Kreiszylinders, vorzugsweise von 40° bis 50°, am meisten bevorzugt von 45° aufweist.
3. Dichtvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die angefaste äußere Ringkante (4, 4') einen Winkel im Bereich von 20° bis 40°, bezogen auf eine Richtung senkrecht zu einer Rotationsachse (B-B) des Kreiszylinders, vorzugsweise von 25° bis 35°, am meisten bevorzugt von 30° aufweist.
4. Dichtvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtvorrichtung (1) symmetrisch bezüglich einer senkrecht zu einer Rotationsachse des Kreiszylinders liegenden Spiegelebene (A-A) ist.
5. Dichtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Nut (5) in der horizontalen Spiegelebene (A-A) oder nahe bei der horizontalen Spiegelebene (A-A) liegt.
6. Dichtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Metall oder aus einer Metall-Legierung besteht.
7. Dichtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Legierung die Elemente Kobalt, Chrom und Wolfram umfasst.
8. Dichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Legierung eine Kobalt-Chrom-Wolfram- Hartlegierung ist.
9. Dichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Legierung ein Stellit, vorzugsweise Stellit 5 ist.
10. Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit einer Hochdruck-Wasserstrahllanze (10), insbesondere zum Hochdruckreinigen eines MotorZylinders, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche verwendet wird.
11. Verwendung einer Dichtvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Hochdruck-Wasserstrahllanze
(10) zum Bearbeiten einer Oberfläche, insbesondere zum Hochdruckreinigen eines MotorZylinders.
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